[发明专利]一种全光纤型磁场传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤元件及光纤传感领域，具体涉及一种全光纤型磁场传感器。

背景技术

磁场测量对于科学、军事、工业应用等领域都有重要意义。传统的磁场传感器是以电测试原理为主，如电磁感应原理和霍尔效应，但作为电测仪器的传感器往往易受电磁干扰，易腐蚀，无法工作在恶劣的环境下。因而光学式的磁场传感器越来越来受关注。光纤作为一种本质绝缘的材料在磁场传感方面有着独有的优点，除了不受电磁干扰还有体积小、重量轻、精度高，易于形成分布式测量等优点，也能工作在高温、高压、强磁场、腐蚀性环境等特殊场合，与电类传感器相比具有一些独特的优势。

磁流体是一种均匀分布的胶状体，它是由纳米磁性粒子弥散在某种液体之中所形成的稳定的胶质悬浮液，它既具有固体磁性材料的磁性，又有液体的流动性。磁流体是一种新型的功能材料，具有一些特殊的磁光特性，包括：可调谐折射率、二向色性、磁致双折射、起偏特性、Faraday效应等，磁流体这些独特的光学性质在制作高性能可调光子器件方面表现出很好的应用潜力。随着光纤光子学的迅速发展，磁流体的磁性作为一种重要的物理现象和操控广波传输的手段逐渐在光纤技术中得到广泛的研究。

经对现有技术的文献检索发现申请号为201010112530.7的发明专利公开了磁流液与光纤光栅相互作用实现的磁场传感器，这种方案的缺点是光栅的制作较麻烦，且需要将光栅浸在灌有磁流液的毛细管中，操作较复杂，集成度低；申请号为201010194583.8和201110102799.1的发明专利公开了基于磁流液与光纤Fabry–Perot腔相互作用实现的磁场传感器，这种方案的缺点是由于Fabry–Perot腔的长度一般是微米量级，所以需要非常精密的制作工艺，而且一般在光纤上镀膜也不太容易，这些都增加了该方案的难度；申请号为201010519861.2和201310186027.X的发明专利公开了基于磁流液与微纳光纤/裸露光纤相互作用实现的磁场传感器，这种方案的缺点是微纳光纤非常脆弱，且集成度低；申请号为201210404672.X的发明专利公开了一种基于磁流体灌注保偏光子晶体光纤的磁场传感器，他们通过构造Sagnac环来获得干涉谱，该方案直接将磁流液灌入光子晶体光纤中，是一种结构简单且集成度较高的方案，但缺点是引入了2×2光纤耦合器，导致了不必要的功率损耗，因为光子晶体光纤灌入磁流液后本身就会有非常大的损耗，再引入Sagnac环结构又会引起额外的损耗，导致探测困难。

目前已公开的基于磁流液的光纤磁场传感器大多需要复杂且精密的制作工艺，并且集成度不高导致其稳定性较差，因此，一种制作简单、集成度高且稳定可靠的磁场传感器成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种结构紧凑，体积小、制作简便、集成度高、稳定可靠、灵敏度高、且成本低的全光纤型磁场传感器。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种全光纤型磁场传感器，包括顺次连接的宽带光源、传感头及光谱仪，传感头由不超过1cm的光子晶体光纤与单模光纤熔接而成，其中：

光子晶体光纤为具有空心的空气孔结构的且空气孔中填充有磁流液，单模光纤包括第一单模光纤和第二单模光纤，填充有磁流液的光子晶体光纤一端通过光纤熔接机的熔接与第一单模光纤熔接，另一端通过光纤熔接机的熔接与第二单模光纤偏心熔接构成一个单纤内嵌的马赫曾德干涉仪；

宽带光源输出的光经第一单模光纤耦合到填充有磁流液的光子晶体光纤中，外界磁场发生变化时，引起耦合到光子晶体光纤中的不同光束之间相位差的变化，导致光谱漂移，经光子晶体光纤传播又耦合到第二单模光纤，由连接在第二单模光纤上的光谱仪检测波峰/波谷的漂移量解调出磁场的信息，实现对磁场的测量；

填充有磁流液的光子晶体光纤通过光纤熔接机与单模光纤熔接时，熔接机的放电强度为30mA，放电时间500ms。

本发明通过调节光纤熔接机的参数，以避免灌入磁流液后的光子晶体光纤与单模光纤熔接时不会产生气泡、肿大等问题从而引起巨大的损耗，并且能保证连接强度，缓解光纤灌入磁流液后熔接困难的问题，当光纤熔接机放电时间过长，放电强度过大时，离散的磁性粒子和载体溶液会“挥发”，在熔接区域阻碍了单模光纤与光子晶体光纤的接触，造成熔接点出现气泡或肿大，且磁性粒子会掺杂在二氧化硅材料中导致连接不牢固，本发明合理设置放电强度为30mA，放电时间500ms有效避免了上述缺陷。